EP1927179B1 - Reluktanzmotor - Google Patents

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EP1927179B1
EP1927179B1 EP06793048.7A EP06793048A EP1927179B1 EP 1927179 B1 EP1927179 B1 EP 1927179B1 EP 06793048 A EP06793048 A EP 06793048A EP 1927179 B1 EP1927179 B1 EP 1927179B1
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EP
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rotor
transition
radius
reluctance motor
contour
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Uwe Caldewey
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Vorwerk and Co Interholding GmbH
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Vorwerk and Co Interholding GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/04—Synchronous motors for single-phase current
    • H02K19/06—Motors having windings on the stator and a variable-reluctance soft-iron rotor without windings, e.g. inductor motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H02K1/246—Variable reluctance rotors

Definitions

  • the invention relates to a reluctance motor according to the features of the preamble of claim 1.
  • Reluctance motors are known. Particularly in the case of high-speed reluctance motors, a step-like transition, a so-called stepped air gap, is formed in the outer contour to achieve a preferred direction of rotation. Such a step in this case has a radial dimension of a few microns. For example, a measure between 10 and 80 microns, further example. 50 microns.
  • the invention is concerned with the task of specifying a reluctance motor, which can perform a desired start-up behavior as low as possible in terms of an available torque.
  • the outer contour is divided by the step-shaped transition into a larger and a smaller portion, that the larger portion in its contour is spiral and the smaller circular, and that the step has a radial dimension in the range of 10 to 80 microns.
  • the starting behavior of the rotor is thereby ensured, even if no high torque is required for starting. This is the case, for example, with vacuum cleaners or with the operation of a fan. Due to the spiral outer contour, the rotor can be rotated slightly further than is normally possible with respect to one phase. This ensures the startup. To adapt to a possibly higher starting torque, the radius reduction in the spiral can be increased.
  • the small portion may be about one sixth to one third of the peripheral portion of a rotor pole.
  • the spiraling in the contour larger portion may further preferably extend over two-thirds to five-sixths of the peripheral portion of a rotor pole.
  • the smaller section extending in the form of a circular segment-shaped outer contour is formed by a radius line extending from the rotor axis.
  • a radius of the contour increases, starting from the step-like transition. It proves to be advantageous if the radius difference of the spiral section between a quarter and three quarters of the stepped transition plus the Differenzradius beaus.
  • the radius difference is accordingly between one quarter and three quarters of the maximum radius in the spiral section. It is preferred in this regard that the radius difference corresponds to one-tenth to twice the dimension of the step-like transition.
  • the radius dimension is preferably in the range from 20 to 100 .mu.m, preferably 50 .mu.m.
  • the spiral radial change in the sense of the invention also includes, for example, a stepped change instead of a continuous or a non-linear Radialux selectedung in the course of the spiral.
  • a reluctance motor in particular a high-speed two-phase reluctance motor, created with a special rotor geometry, wherein the rotor or its rotor poles in the region of the curved outer contour both a stepped transition (stepped air-gap) and have a spiraling outgoing therefrom.
  • the air gap according to the present invention is reduced at the point of greatest radial extent of the spiral, resulting in an effective partial shortening of the field lines between the stator and rotor result.
  • rotors 1 are shown for each reluctance motor. These rotors 1 are rotatably on a rotor shaft 2 halterbar, which latter is in turn mounted in a motor housing part 3.
  • the rotor shaft 2 also forms the rotor axis of rotation x.
  • the rotor 1 While in the FIG. 1 the rotor 1 is formed six poles and correspondingly has six rotor poles 4, which are distributed uniformly over the circumference as radially projecting portions, the rotor 1 has in the in of the FIG. 2 illustrated second embodiment, only two opposing rotor poles. 4
  • the rotors 1 are assembled in the usual way from individual rotor laminations 5, which are punched out, for example, as sheet metal parts.
  • a central bore 6 serves for positive or non-positive reception of the rotor shaft 2.
  • FIG. 3 A rotor lamination 5 for a rotor 1 according to the second embodiment is shown in FIG. 3 shown in a single view in view. It can be seen that first each rotor pole 4 has a curved outer contour 7. This is composed of the circumferential dimension of a larger portion 8 and a smaller portion 9 together, wherein the subdivision between the larger portion 8 and smaller portion 9 is formed by a step-like transition 10.
  • the smaller portion 9 extends approximately over one third of the total extent dimension of the curved outer contour 7. With reference to the illustration in FIG. 3 begins this smaller portion 9 with the left end of the curved outer contour 7 and extends in a clockwise direction in a circle until the step-like transition 10. Over this entire smaller section 9, the outer contour extends over a constant radius r, which refers to the rotor axis x.
  • the step-like transition 10 extends in the radial direction beyond the outer contour of the smaller contour section 9.
  • a radial projection dimension a of the stepped transition 10 of approximately 50 ⁇ m is selected.
  • the stepped transition 10 facing away from the larger portion 8 has a radius r 1 , which is greater than the sum of the radius r in the region of the smaller portion 9 plus the radial dimension a of the stepped transition 10th
  • FIG. 3 a uniform outer contour line with a radius r 1 is shown in dash-dotted line style, starting from the step-like transition 10 facing away from the end of the larger section 8.
  • the resulting radius difference d - measured in radial extension to the step dimension a - is approximately in the illustrated embodiment, the step size a, that is about 50 ⁇ pm.
  • the opposite rotor pole 4 is shaped according to the outer contour.
  • an improved start-up behavior of the rotor 1 in a reluctance motor is achieved.
  • a spiral-shaped air gap 12 is formed in the region between the rotor pole 4 and the stator pole 11 corresponding thereto during operation (cf. Fig. 5 ).
  • the starting torque proportional to the radial dimension of the rotor does not lose itself in the critical angles of rotation 0 °, 90 °, 180 ° or 270 °. Rather, there remains a torque that is sufficient for a safe start even from these positions out.
  • the rotor poles 4 including the smaller contour portion (9) - stepped air-gap - designed based on an angle ⁇ in its radial width b.
  • This angle ⁇ is, starting from the rotor center axis x, formed over both outer ends of a rotor pole 4 and is between 85 ° and 95 °, preferably 90 °. With uniform circumferential stator pole / free space distribution this results in a width b of a rotor pole 4 which is increased relative to a stator pole 11.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
  • Reluktanzmotoren sind bekannt. Insbesondere bei schnelllaufenden Reluktanzmotoren ist zur Erzielung einer Vorzugsdrehrichtung in der Außenkontur ein stufenartiger Übergang, ein sogenannter stepped air-gap ausgeformt. Eine solche Stufe weist hierbei ein Radialmaß von wenigen µm auf. So bspw. ein Maß zwischen 10 und 80 µm, weiter bspw. 50 µm.
  • Aus der US 3,679,953 A ist ein Reluktanzmotor bekannt, dessen Rotor in zwei Segmente unterteilt ist, die jeweils ausgehend von einem stufenförmigen Übergang eine spiralförmige Kontur aufweisen. Hiermit lässt sich eine Vorzugsdrehrichtung des Motors erreichen. Zu diesem Zweck ist es aus der EP 0 455 578 A2 auch bekannt, die Rotorkontur eines solchen Motors mit zwei unterschiedlich langen Umfangsabschnitten, bei jeweils kreisförmiger Kontur, auszubilden, wobei die Abschnitte über einen Stufenabschnitt ineinander übergehen.
  • Ausgehend von dem zunächst genannten Stand der Technik beschäftigt sich die Erfindung mit der Aufgabenstellung, einen Reluktanzmotor anzugeben, der ein gewünschtes Anlaufverhalten möglichst günstig im Hinblick auf ein zur Verfügung stehendes Drehmoment durchführen lässt.
  • Diese Aufgabe ist beim Gegenstand des Anspruches 1 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass die Außenkontur durch den stufenförmigen Übergang in einen größeren und einen kleineren Abschnitt unterteilt ist, dass der größere Abschnitt in seiner Kontur spiralförmig verläuft und der kleinere kreisförmig, und dass die Stufe ein Radialmaß im Bereich von 10 bis 80 µm aufweist.
  • Das Anlaufverhalten des Rotors ist hierdurch sichergestellt, auch dann, wenn zum Anlaufen kein hohes Drehmoment erforderlich ist. Dies ist bspw. bei Staubsaugern bzw. beim Betrieb eines Lüfters der Fall. Durch die spiralförmige Außenkontur kann der Rotor etwas weiter gedreht werden als dies mit Bezug auf eine Phase normalerweise möglich ist. Dies stellt den Anlauf sicher. Zur Anpassung an ein ggf. höheres Anlaufmoment kann die Radiusreduzierung in der Spirale vergrößert werden.
  • Hinsichtlich der Unterteilung in einen kleineren und einen größeren Abschnitt durch den stufenförmigen Übergang kann der kleine Abschnitt etwa ein Sechstel bis ein Drittel des Umfangsabschnitts eines Rotorpols betragen. Der in der Kontur spiralförmig verlaufende größere Abschnitt kann weiter bevorzugt über zwei Drittel bis fünf Sechstel des Umfangsabschnitts eines Rotorpols sich erstrecken. Der mit kreislinienabschnittsförmiger Außenkontur verlaufende kleinere Abschnitt ist durch eine von der Rotorachse ausgehende Radiuslinie gebildet.
  • Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Ausgestaltung, bei welcher ein Radius der Kontur sich ausgehend von dem stufenartigen Übergang vergrößert. Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Radiusdifferenz des spiralförmigen Abschnitts zwischen einem Viertel und drei Viertel des stufenartigen Übergangs zuzüglich des Differenzradiusmaßes liegt. Die Radiusdifferenz liegt demzufolge entsprechend zwischen einem Viertel und drei Viertel des maximalen Radiusmaßes im spiralförmigen Abschnitt. Bevorzugt wird diesbezüglich, dass die Radiusdifferenz einem Zehntel bis dem Doppelten des Maßes des stufenartigen Übergangs entspricht. So liegt weiter bevorzugt das Radiusmaß im Bereich von 20 bis 100 µm, bevorzugt 50 µm. Die spiralförmige Radialmaßänderung umfasst im Sinne der Erfindung auch bspw. eine stufenförmige Veränderung anstelle einer kontinuierlichen oder auch eine nicht lineare Radialmaßänderung im Zuge des Spiralverlaufs. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist ein Reluktanzmotor, insbesondere ein schnelllaufender zweiphasiger Reluktanzmotor, mit spezieller Rotorgeometrie geschaffen, wobei der Rotor bzw. dessen Rotorpole im Bereich der gekrümmten Außenkontur sowohl einen stufenartigen Übergang (stepped air-gap) als auch einen hiervon ausgehenden spiralförmigen Verlauf aufweisen. In der Gegenüberstellungsposition von Statorpol und Rotorpol ist der Luftspalt zufolge vorliegender Erfindung an der Stelle größter radialer Erstreckung der Spirale verringert, was eine wirksame partielle Verkürzung der Feldlinien zwischen Stator und Rotor zur Folge hat.
  • Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, welche lediglich zwei Ausführungsbeispiele darstellt, näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    in perspektivischer Darstellung einen Rotor eines Reluktanzmotors mit zuzuordnender Rotorwelle sowie einem Gehäuselagerteil, den Rotor in einer ersten Ausführungsform darstellend;
    Fig. 2
    eine der Fig. 1 entsprechende perspektivische Darstellung, jedoch eine zweite Ausführungsform des Rotors betreffend;
    Fig. 3
    in einer Einzeldarstellung ein Rotorblech des Rotors gemäß der Ausführungsform in Fig. 2 in Ansicht;
    Fig. 4
    die Draufsicht auf den aus einzelnen Rotorblechen zusammengesetzten Rotor mit Blick auf einen Rotorpol;
    Fig. 5
    in einer schematischen Darstellung einen 2-phasigen Motor.
  • In den Figuren 1 und 2 sind in zwei Ausführungsformen Rotoren 1 für jeweils einen Reluktanzmotor dargestellt. Diese Rotoren 1 sind drehfest auf einer Rotorwelle 2 halterbar, welch letztere wiederum gelagert ist in einem Motorgehäuseteil 3. Die Rotorwelle 2 bildet zugleich die Rotordrehachse x.
  • Während in der Figur 1 der Rotor 1 sechspolig ausgebildet ist und entsprechend sechs Rotorpole 4 aufweist, die über dem Umfang gleichmäßig verteilt als radial abragende Abschnitte ausgeformt sind, besitzt der Rotor 1 in der in der Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsform lediglich zwei sich gegenberliegende Rotorpole 4.
  • Die Rotoren 1 sind in üblicher Weise zusammengesetzt aus einzelnen Rotorblechen 5, welche bspw. als Blechteile ausgestanzt sind. Eine mittige Bohrung 6 dient zur form- bzw. kraftschlüssigen Aufnahme der Rotorwelle 2.
  • Ein Rotorblech 5 für einen Rotor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform ist in Figur 3 in einer Einzeldarstellung in Ansicht gezeigt. Es ist zu erkennen, dass zunächst jeder Rotorpol 4 eine gekrümmte Außenkontur 7 aufweist. Diese setzt sich über das Umfangsmaß aus einem größeren Abschnitt 8 und einem kleineren Abschnitt 9 zusammen, wobei die Unterteilung zwischen größerem Abschnitt 8 und kleinerem Abschnitt 9 durch einen stufenartigen Übergang 10 gebildet ist.
  • Der kleinere Abschnitt 9 erstreckt sich etwa über ein Drittel des gesamten Erstreckungsmaßes der gekrümmten Außenkontur 7. Mit Bezug auf die Darstellung in Figur 3 beginnt dieser kleinere Abschnitt 9 mit dem linken Ende der gekrümmten Außenkontur 7 und erstreckt sich in Uhrzeigerrichtung kreislinienförmig bis zum stufenartigen Übergang 10. Über diesem gesamten kleineren Abschnitt 9 erstreckt sich die Außenkontur über einen gleichbleibenden Radius r, welcher sich auf die Rotorachse x bezieht.
  • Der stufenartige Übergang 10 erstreckt sich in Radialrichtung über die Außenkontur des kleineren Konturabschnittes 9 hinaus. Es ist hierbei ein radiales Überstandsmaß a des stufenartigen Übergangs 10 von etwa 50 µm gewählt.
  • Von dem radial äußeren Ende des stufenartigen Übergangs 10 erstreckt sich in Uhrzeigerrichtung der größere Abschnitt 8 der gekrümmten Außenkontur, dies mit ansteigendem Radius. Entsprechend verläuft der größere Abschnitt 8 spiralförmig sich zum dem stufenartigen Übergang 10 abgewandten Ende der Außenkontur 7 vergrößernd. An diesem, dem stufenartigen Übergang 10 abgewandten Ende weist der größere Abschnitt 8 einen Radius r1 auf, welcher größer ist als die Summe des Radius r im Bereich des kleineren Abschnitts 9 plus dem Radialmaß a des stufenartigen Übergangs 10.
  • In Figur 3 ist in strichpunktierter Linienart eine gleichbleibende Außenkonturlinie mit einem Radius r1 dargestellt, ausgehend von dem dem stufenartigen Übergang 10 abgewandten Ende des größeren Abschnitts 8. Die hieraus resultierende Radiusdifferenz d - gemessen in radialer Verlängerung zum Stufenmaß a - beträgt in der dargestellten Ausführungsform etwa dem Stufenmaß a, also etwa 50µpm.
  • Der gegenüberliegende Rotorpol 4 ist entsprechend außenkonturmäßig geformt.
  • Zufolge der beschriebenen Rotorpolausgestaltung, insbesondere der Konturgestaltung der Rotorpole 4 ist ein verbessertes Anlaufverhalten des Rotors 1 in einem Reluktanzmotor erreicht. Neben dem bekannten stufenförmigen Übergang 10 ist im Bereich zwischen dem Rotorpol 4 und dem im Betrieb hierzu korrespondierenden Statorpol 11 ein spiralförmiger Luftspalt 12 ausgebildet (vgl. Fig. 5). Das zum Radialmaß des Rotors proportionale Anlaufmoment verliert sich nicht in den kritischen Drehwinkeln 0°, 90°, 180° oder 270°. Es bleibt vielmehr ein Drehmoment bestehen, das zu einem sicheren Anlaufen auch aus diesen Stellungen heraus ausreichend ist.
  • Bei einem wie in Fig. 5 schematisch dargestellten 2-phasigen Motor mit vier Statorpolen 11 und zwei Rotorpolen 4 sind die Rotorpole 4 einschließlich des kleineren Konturabschnitts (9) - stepped air-gap - anhand eines Winkels β in ihrer radialen Breite b ausgelegt. Dieser Winkel β ist, ausgehend von der Rotor-Mittelachse x, über beide äußere Enden eines Rotorpols 4 gebildet und beträgt zwischen 85° und 95°, bevorzugt 90°. Bei gleichmäßiger umfangsmäßiger Statorpol-/Freiraumverteilung ergibt sich hieraus eine gegenüber einem Statorpol 11 vergrößerte Breite b eines Rotorpols 4.

Claims (4)

  1. Reluktanzmotor mit einem Rotor (1) und einem Stator, wobei der Rotor (1) einzelne Rotorpole (4) aufweist und die Rotorpole (4) eine gekrümmte, spiralförmig verlaufende Außenkontur besitzen, wobei weiter in der Außenkontur ein stufenartiger Übergang (10) ausgebildet ist, zur Erzielung einer Vorzugsdrehrichtung beim Anlaufen des Motors, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (7) durch den stufenartigen Übergang (10) in einen größeren (8) und einen kleineren Abschnitt (9) unterteilt ist, dass der größere Abschnitt (8) in seiner Kontur spiralförmig verläuft und der kleinere kreisförmig mit einer von der Rotorachse ausgehenden Radiuslinie, und dass die Stufe ein Radialmaß im Bereich von 10 bis 80 µm aufweist.
  2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radius (r1) der Kontur sich ausgehend von dem stufenartigen Übergang (10) vergrößert.
  3. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiusdifferenz (d) des spiralförmigen Abschnitts (8) zwischen einem Viertel und drei Viertel des stufenartigen Übergangs (10) zuzüglich des Differenzradiusmaßes (d) liegt.
  4. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiusdifferenz (d) einem Zehntel bis dem Doppelten des Maßes (a) des stufenartigen Übergangs (10) entspricht.
EP06793048.7A 2005-09-23 2006-08-29 Reluktanzmotor Active EP1927179B1 (de)

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